液壓支架設(shè)計-華科

1、華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第 1 頁 共 76 頁前言綜合機械化采煤是煤礦技術(shù)進步的標志，是煤礦增加產(chǎn)量、提高勞動效率、增加經(jīng)濟效益的重要手段。實踐證明大力發(fā)展綜合機械化采煤，研制和使用液壓支架是十分關(guān)鍵的。我國液壓支架經(jīng)過30 多年的發(fā)展，取得顯著的成果，至今已能成批制造兩柱掩護式和四柱支撐掩護式液壓支架，這些系列化液壓支架一般用于緩傾斜中厚煤層及厚煤層分層開采。我國煤礦中使用的支架類型很多，按照支架采煤工作面安裝位置來劃分有端頭液壓支架和中間液壓支架。 端頭液壓支架簡稱端頭支架， 專門安裝在每個采煤工作面的兩端。中間液壓支架是安裝在處工作面斷頭以外的采煤工作面上所有的位置的液壓支架。目前

2、使用的液壓支架分為三類。即：支撐式液壓支架、掩護式液壓支架、支撐掩護式液壓支架。從架型的結(jié)構(gòu)特點來看，由于直接類別和老頂級別的不同，所以為了在使用中合理地選擇架型， 要對支架的支撐力承載力的關(guān)系進行分析使支架能適應(yīng)頂板載荷的要求。此次設(shè)計是對大學(xué)所學(xué)的知識的綜合應(yīng)用，通過設(shè)計使所學(xué)知識融會貫通，形成較為清晰的知識構(gòu)架，強化設(shè)計過程的規(guī)范性以及對計算機的使用的熟練性。通過此次設(shè)計，能夠更好的梳理所學(xué)的知識，基本掌握機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)在機械設(shè)計方面的工作方法，同時提高獨立為完成工作的能力，為以后的工作打下堅實的基礎(chǔ)。支撐掩護式液壓支架總體設(shè)計分析及頂梁設(shè)計第 2 頁共 76頁第 1 章液壓

3、支架的概述1.1 液壓支架的組成和用途1.1.1 液壓支架的組成液壓支架由頂梁、底座、掩護梁、立柱、推移裝置、操作控制系統(tǒng)等主要部分組成。1.1.2 液壓支架的用途在采煤工作面的煤炭生產(chǎn)過程中，為了防止頂板冒落，維持一定的工作空間，保證工人安全和各項工作正常進行，必須對頂板進行支護，而液壓支架是以高壓液體作為動力由液壓元件與金屬構(gòu)件組成的至呼和控制頂板的設(shè)備，它能實現(xiàn)支撐、切頂、移架和推移輸送機等一整套工序。 實踐表明液壓支架具有支護性能好、強度高、移架速度快、安全可靠等優(yōu)點。液壓支架可與彎曲輸送機和采煤機組合機械化采煤設(shè)備，它的應(yīng)用對增加采煤工作面產(chǎn)量、提高勞動生產(chǎn)率、降低成本、減輕工人勞動

4、和保證安全生產(chǎn)是不可缺少的有效措施，因此液壓支架是技術(shù)上先進、經(jīng)濟上合理、安全上可靠、是實現(xiàn)采煤綜合機械化和自動化不可缺少的主要設(shè)備。1.2 液壓支架的工作原理液壓支架在工作過程，必須具備升、降、推、移四個基本動作，這些動作是利用泵站提供的高壓乳化液通過工作性質(zhì)不同的幾個液壓缸來完成的，如圖1-1 所示。升柱：當(dāng)需要液壓支架上升支護頂板時，高壓乳化液進入立柱的下活塞腔，另一腔回液，推動活塞上升，是與活塞桿相連的頂梁緊緊接觸頂板。降柱：當(dāng)需要降柱時，高壓乳化液進入立柱的上活塞腔，另一腔回液，推動活塞下降，頂梁脫離接觸接觸頂板。支架和輸送機前移：支架和輸送機的前移都是由底座上的推移千斤頂來完成。當(dāng)

5、需要支架前移時，先降柱卸載，然后高壓液進入推移千斤頂?shù)幕钊麠U腔，另一腔回液，以輸送機為支點， 缸體前移， 把整個支架拉向煤壁； 當(dāng)需要推移輸送機時， 支架支撐頂板后，華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第 3 頁 共 76 頁高壓液進入推移千斤頂下腔，另一腔回液，以支架為支點，使活塞桿伸出，把輸送機推向煤壁。高壓液體底壓液體升降推移123456支架的支撐力與時間曲線，稱為支架的工作特性曲線，如圖1-2 所示pp1p2tt0t1t2支架立柱工作時，其支撐力隨時間的變化可分為三個階段：支架升柱時，高壓液進入立柱下腔，立柱升起使頂梁接觸頂板， 立柱下腔壓力增加， 當(dāng)增加到泵站工作壓力時，泵站自動卸載，支架的

6、液控單向閥關(guān)閉，立柱下腔壓力達到初撐力，此階段為初承力階段；支架初撐后，隨著頂板下沉，立柱下腔壓力增加，直至增加到支架安全閥的調(diào)正壓力，立柱下腔壓力達到工作阻力，此階段為增阻階段；隨著頂板壓力繼續(xù)增加，是立柱下腔壓力超過的安全閥調(diào)正壓力值時，安全閥打開溢流，立柱下縮，是頂板壓力減小，立柱下腔壓力降低，當(dāng)?shù)陀诎踩y壓力調(diào)整值后，安全閥停止溢流，這樣在安全閥調(diào)整壓力的限制下，壓力曲線隨時間呈波浪形變化，此階段為恒阻階段。圖 1-2 支架的工作特性曲線圖 1-1 液壓支架工作原理1 輸送機； 2 推移千斤頂； 3 立柱； 4 安全閥； 5 液控單向閥； 6 操縱閥支撐掩護式液壓支架總體設(shè)計分析及頂梁

7、設(shè)計第 4 頁共 76頁1.3 液壓支架設(shè)計目的、要求和設(shè)計支架的必要參數(shù)1.3.1 設(shè)計目的采用綜合機械化采煤機械方法是大幅度增加煤炭產(chǎn)量、提高經(jīng)濟效益的必由之路。為了滿足對煤炭日益增長的需要，必須大量生產(chǎn)綜合機械化設(shè)備，機械化采煤工作面。而每個綜采工作面平均需要安裝150 臺液壓支架，可見對液壓支架的需要量是很大的。由于不同采煤工作面的頂板條件、煤層厚度、煤層傾角、煤層物理機械性質(zhì)等的不同，對不同液壓支架的需求也不同。為了有效的支護和控制頂板，必須設(shè)計出不同類型和不同結(jié)構(gòu)尺寸的液壓支架。因此，液壓支架的設(shè)計工作是很重要的。由于液壓支架的類型很多，因此其設(shè)計的工作量也是很大的，由此可見，研制

8、和開發(fā)新型液壓支架是必不可少的一個環(huán)節(jié)。1.3.2 液壓支架的基本要求1為了滿足采煤工藝及地質(zhì)條件的要求，液壓支架要有足夠的初撐力和工作阻力，以使有效地控制頂板，保證合理的下沉量。2液壓支架要有足夠的推溜力和移架力，推溜力一般為100kn左右，移架力按煤層厚度而定，薄煤層一般為100kn 150kn ，中厚煤層一般為150kn 250kn ，后煤層一般為 300kn 400kn 。3防矸性能要好。4排矸性能好。5要求液壓支架能保證采煤工作面有足夠的通風(fēng)面積，從而保證人員呼吸、稀釋有害氣體等安全方面的要求。6為了操作和生產(chǎn)的需要，要有足夠?qū)挼娜诵械馈?調(diào)高范圍要大，照明和通訊方便。8支架的穩(wěn)定性

9、要好，底座最大比壓要小于規(guī)定值。9要求支架有足夠的剛度，能承受事實上不均衡載荷和沖擊載荷。10滿足強度條件下，盡可能減輕支架重量。11要易于拆卸，結(jié)構(gòu)要簡單。12液壓元件要可靠。華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第 5 頁 共 76 頁1.3.3 設(shè)計液壓支架必須的基本參數(shù)1頂板條件根據(jù)老頂和直接頂?shù)姆诸?，對支架進行選型。2最大和最小采高根據(jù)最大和最小采高，確定支架的最大和最小高度，以及支架的支護強度。3瓦斯等級根據(jù)瓦斯等級，按煤礦安全規(guī)程規(guī)定，驗算通風(fēng)斷面。4底板巖性及小時涌水量根據(jù)底板巖性及小時涌水量驗算地板比壓。5工作面煤壁條件根據(jù)工作面煤壁條件決定是否用護幫裝置。6煤層傾角根據(jù)煤層傾角決定是

10、否選用防滑裝置。7井向罐籠尺寸根據(jù)井向罐籠尺寸考慮支架的運輸外形尺寸。8配套尺寸根據(jù)配套尺寸及支護方式來計算頂梁長度。1.4 液壓支架的發(fā)展趨勢1.4.1 新型適用特種條件下的液壓支架為了安全高效的開采復(fù)雜地質(zhì)條件的煤炭資源，必須設(shè)計能適應(yīng)某種特殊地質(zhì)條件使用的液壓支架。1特厚煤層一次采全高液壓支架。2009 年平頂山煤礦機械有限公司生產(chǎn)的zy10800/28/63 型電液控制掩護式液壓支架是為神華寧煤設(shè)計制造的，支護高度 6.3 米、工作阻力 10800 千牛、重量 40.5 噸的大采高高端支架（參數(shù)見表1-1） 。該架型代表著國內(nèi)支架行業(yè)的先進水平，技術(shù)含量高、生產(chǎn)難度大。2新型放頂煤支架

11、。設(shè)計一種回采率高，夾矸少的放頂煤液壓支架。3水采液壓支架。為了適應(yīng)水采工作面的支護需要，設(shè)計一種水采工作面。支撐掩護式液壓支架總體設(shè)計分析及頂梁設(shè)計第 6 頁共 76頁表 1-1 zy10800/28/63 型電液控制掩護式液壓支架參數(shù)性能項目數(shù)值性能項目數(shù)值支架高度 mm 2800-6300 工作阻力 kn 10800 初撐力 kn 7912 支架中心距 mm 1750 支護強度 mpa 1.06 立柱缸徑 mm 400 4重型支架。為適應(yīng)頂板壓力特別大的需要，可將液壓支架的工作阻力設(shè)計的較大。5新型端頭支架。為了加快綜采速度和無人采煤工作面的需要，設(shè)計一種能適應(yīng)井上操作且安全可靠的斷頭液

12、壓支架。6大傾角工作面支架。為適應(yīng)煤層傾角小于等于45的工作面，設(shè)計一種新型的大傾角工作面支架。1.4.2 液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計的方向1輕型化。對液壓支架各部件進行受力分析和優(yōu)化設(shè)計，使結(jié)構(gòu)緊湊，在滿足強度要求和配套的條件下，底座和頂梁盡量短，使支架輕型化。2標準化。為了減輕支架的重量，降低成本，提高對煤層厚度變化和頂?shù)装鍡l件的適應(yīng)性，使液壓支架的危險性減小，對同一型號設(shè)計成系列化，適應(yīng)不同煤層厚度的要求。3材質(zhì)強化。提高結(jié)構(gòu)件鋼材強度，采用優(yōu)質(zhì)鋼材，減輕液壓支架的重量，設(shè)計師可先進行技術(shù)經(jīng)濟比較，再選合適的材料。4高壓化。各種閥類的壓力等級價高，相應(yīng)的強度增高，使閥和油缸的體積減小，使液壓支架的

13、質(zhì)量減輕。5操作自動化。能適應(yīng)無人采煤工作面的需要，實際運程操作的新型全自動液壓支架。1.4.3我國液壓支架與國外液壓支架存在的差距及今后的發(fā)展趨勢我國的液壓支架經(jīng)過30 多年的發(fā)展，盡管取得了顯著的成績，在雙高礦井建設(shè)中出現(xiàn)過日產(chǎn)萬噸甚至班產(chǎn)萬噸的記錄，但總體水平與世界先進采煤國家仍存在一定的差距。 在支架架型功能上我國與國外相差無幾，有些地方特別是特厚煤層用的放頂煤支架、鋪網(wǎng)支架、兩硬煤層的強力支架、端頭支架還有獨到之處，但國產(chǎn)液壓支架技術(shù)含量偏華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第 7 頁 共 76 頁低， 電液控制閥可靠性差，所用鋼材耐壓能力一般為16mpa ， 最好的屈服極限僅有700mpa

14、 ，液壓系統(tǒng)壓力在 35mpa以下，流量在 200l/min 以內(nèi)，供液管直徑2532mm ，回液管直徑 2550mm ，最快移架速度為 1012s/ 架（井下實際應(yīng)用又是在20s 以上） ，工作阻力相對較低。我國液壓支架的設(shè)計制造水平經(jīng)過30 多年的發(fā)展，不斷提高，特別是在緩傾斜中厚煤層的液壓支架反面積累了豐富的經(jīng)驗，架型也基本趨于成熟完善，在品種和質(zhì)量方面與國際相比還有較大的差距。所以，今后除應(yīng)繼續(xù)針對我國國情和煤層具體條件開發(fā)一些新架型、新品種外，還應(yīng)在設(shè)計支架控制系統(tǒng)和提高指甲的工作可靠性發(fā)面下功夫。今后，我國的液壓支架的設(shè)計將朝技術(shù)含量高、鋼板強度高、移架速度快（68 s/架）和電液

15、控制閥的方向發(fā)展，對破碎帶和斷層的工作面將加大支架的移架力，盡量采用整體可靠的推桿和抬底座機構(gòu)，并減少千斤頂?shù)臄?shù)量。另外，將普遍采用額定壓力為40mpa 、額定流量為 400l/min 的高壓大流量乳化液泵站，以適應(yīng)快速一家的需要；系統(tǒng)采用環(huán)形或雙向供液，保證支架有足夠的壓力達到初撐力，保證支架接頂位置。兩柱掩護式液壓支架的比重將大大增加，缸的直徑將增至360mm ，端頭支架、輕放多用途支架將被廣泛使用。支撐掩護式液壓支架總體設(shè)計分析及頂梁設(shè)計第 8 頁共 76頁第 2 章液壓支架的架型特點及選型2.1 液壓支架的分類及特點2.1.1 液壓支架架型的分類按照液壓支架在采煤工作面安裝位置來劃分有

16、端頭液壓支架和中間液壓支架。端頭液壓支架簡稱端頭支架，專門安裝在每個采煤工作面的兩端。中間液壓支架是安裝在除工作面端頭以外的采煤工作面上所有位置的支架。目前使用的液壓支架分為三類，即：支撐式、掩護式和支撐掩護式液壓支架。1支撐式液壓支架：支撐是液壓支架的架型有垛式支架和節(jié)式支架兩種形式。如圖 2-1 所示，a b 前梁較長，支柱較多并呈垂直分布，支架的穩(wěn)定性由支柱的復(fù)位裝置來保證。因此底座較堅固，它靠支柱和頂梁的支撐作用控制工作面頂板，維護工作空間。頂板巖石則在頂梁后部切斷垮落。這類支架具有較大的支撐能力和良好的穩(wěn)定性能，適用于頂板堅硬完整，周期壓力明顯或強烈，地板較硬的煤層。2掩護式液壓支架

17、：掩護式液壓支架有插腿式和非插腿式兩種形式。如圖2-2 所示，其頂梁較短，對頂班的作用力均勻；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，抵抗直接頂水平運動能力強；防護性能好，調(diào)高范圍大，對煤層厚度變化適應(yīng)性強；但整架工作阻力小，通風(fēng)阻力小，工作空間小。這類支架適用于直接頂不穩(wěn)定或中等穩(wěn)定的煤層。3支撐掩護式液壓支架：支撐掩護式液壓支架是在支撐是液壓支架和掩護式圖 2-1 支撐式液壓支架的類型華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第 9 頁 共 76 頁液壓支架的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種架型。它保留了支撐式支架支撐力大、切頂性能好、工作空間寬敞等優(yōu)點， 采用雙排立柱支撐； 同時又吸取掩護式支架擋矸掩護性能好，抗水平力腔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等長處。而且，

18、采用堅實的掩護梁以及側(cè)護板，將工作空間與采空區(qū)完全隔開；并采用前后連桿連接掩護梁和底座，組成四連桿機構(gòu)， 使梁端距幾乎不變，防止了架前漏矸。支撐掩護式液壓支架適用范圍很廣，可用于各種頂板條件，尤其用于中等穩(wěn)定以上的頂板條件。其缺點是：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，價格較貴。不同結(jié)構(gòu)形式的支撐掩護式液壓支架，其主要區(qū)別是立柱的布置方式不同。具體分類方法及及型式如圖2-3 所示2.1.2 頂板的組成回采工作面的頂板，根據(jù)巖層和煤層的相對位置及特征，可以分三類：圖 2-2 掩護式液壓支架的類型a 插腿式支架b 立柱在掩護梁上非插腿式支架c 立柱在頂梁上非插腿式支架圖 2-3 支撐掩護式液壓支架的類型a四柱平行支

19、在頂梁上的支架b四柱交叉支在頂梁上的支架c兩支柱支在頂梁上，兩柱支在掩護梁上的支架支撐掩護式液壓支架總體設(shè)計分析及頂梁設(shè)計第 10 頁共 76 頁1偽頂：直接位移煤層上方使極易垮落的一層巖石。它通常使灰質(zhì)頁巖和泥質(zhì)頁巖，厚度一般不大于0.3 0.5 米，經(jīng)常隨采隨冒。有些巖層不出現(xiàn)偽頂。為頂對支護設(shè)備的使用一般沒影響。2直接頂：是指位于偽頂或直接位于煤層上方的一層或幾層巖層，厚度一般不大，不很堅硬，常由泥質(zhì)頁巖、頁巖、沙質(zhì)頁巖等組成。一般隨回柱或移架而冒落。直接頂?shù)姆€(wěn)定性對支護方式及架型選擇由決定性的影響。3老頂：是指位于直接頂之上厚而堅實、節(jié)理裂隙和層理都不發(fā)育的整體巖層。通常由砂巖、石灰?guī)r

20、或砂礫巖等構(gòu)成。老頂常能在采空區(qū)維持很大懸露面積而不隨直接頂一起垮落，其垮落步距的長短對支護設(shè)備的載荷大小由決定性影響。2.1.3 液壓支架的支撐力與承載關(guān)系1支撐式液壓支架的特點是頂梁較長，控頂距較大，立柱呈直立布置，而且一般都位于頂梁的后半部。因此，支撐力也相應(yīng)集中在控頂區(qū)的后半部分，以阻止上部巖層的移動，實現(xiàn)切頂。而在煤壁附近的主要工作空間的頂板則處于無立柱狀態(tài)，僅靠支護力較小的前梁來維護。股支架的工作阻力在控頂區(qū)范圍內(nèi)很不均勻，起預(yù)想的支撐力分布規(guī)律如圖圖 2-4 支撐式液壓支架支撐力分布圖2掩護式液壓支架的特點和支撐力分布掩護式液壓支架的特點是頂梁較短，控頂距較小，支撐力主要集中在頂

21、梁部位，且分布較均勻，頂梁端部的支撐能力比支撐是液壓支架大，其支撐力的分布規(guī)律如圖2-5華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第 11 頁 共 76 頁所示掩護式液壓支架在不同頂板條件下的承載分析1）掩護式液壓支架在破碎不穩(wěn)定頂板條件下的受力情況：頂梁受力：由于支架頂梁短，使支架重復(fù)支撐次數(shù)減少，所以頂板較完整。頂板作用在頂梁上的合力為q3 ，載荷分布如圖 2-6 所示掩護梁受力：由于頂板破碎，在頂梁后部自由冒落巖石的一部分作用在掩護梁上，對掩護梁的作用力可分解垂直分立和水平分力，如圖掩護式液壓支架雖然立柱少，支撐力小，但由于頂梁短，單位面積支撐力大，載荷分布和支架支撐力的作用部位基本一致。所以，此種支

22、架能在破碎不穩(wěn)定頂板下工作。圖 2-5 掩護式液壓支架支撐力分布圖圖 2-6 掩護式液壓支架在破碎不穩(wěn)定頂板條件下的受力情況支撐掩護式液壓支架總體設(shè)計分析及頂梁設(shè)計第 12 頁共 76 頁2）掩護式液壓支架在中等穩(wěn)定以上頂板的受力情況。掩護式液壓支架由于立柱少，且呈傾斜布置，支撐力較小，切頂性較差，受力情況如圖2-7 所示直接頂冒落時，冒落巖石分別作用在頂梁上和掩護梁上。周期來壓時，由于頂梁后部頂板不能充分切斷，基本頂壓力將由整個支架和采空區(qū)垮落巖石承擔(dān)或者有可能在切頂時，基本頂直接壓在掩護梁上，這就使掩護梁上載荷劇增，迫使頂梁支撐力減小， 使支架難以承受頂板的壓力和控制頂板的冒落。所以，此種

23、支架不能在中等穩(wěn)定以上頂板下工作。圖 2-7 掩護式液壓支架在中等穩(wěn)定以上頂板的受力情況3支撐掩護式液壓支架支撐力分布與承載的關(guān)系及適用范圍圖 2-8 支撐掩護式液壓支架支撐力分布華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第 13 頁 共 76 頁支撐掩護式液壓支架是為了改善支撐式液壓支架和掩護式液壓支架的性能和對頂板的適應(yīng)性而設(shè)計的，主體部分接近垛式，支架后部有四連桿機構(gòu)和掩護梁，增強了支架的支撐力和承載能力。所以此種支架介于以上兩種支架之間，增強了適用范圍，適用于頂板較堅硬、頂板壓力較大頂板破碎的各種煤層，其受力狀況如圖 2-8 所示2.2 液壓支架的選型2.2.1 液壓支架的選型原則液壓支架的選型，其

24、根本目的是使綜采設(shè)備適合礦井和工作面的條件，投產(chǎn)后能夠做到高產(chǎn)、高效、安全，并為礦井的集中生產(chǎn)、優(yōu)化管理和最佳經(jīng)濟效益提供條件，因此必須根據(jù)礦井的煤層、地質(zhì)、技術(shù)和設(shè)備條件進行選擇。1液壓支架架型的選擇首先要適合于頂板。一般情況下可根據(jù)頂板的級別直接選出架型。2當(dāng)煤層厚度超過 2.5m 時，頂板有側(cè)向推力和水平推力時，應(yīng)選用抗扭能力強的支架，一般不宜選用支撐式支架。3當(dāng)煤層厚度達到2.5 2.8m 以上時，需要選擇有護幫裝置的掩護式或支撐掩護式支架，煤層厚度變化大時，應(yīng)選擇調(diào)高范圍較大、帶有機械加長桿或雙伸縮立柱的掩護式支架。4應(yīng)使支架對地板的接觸比壓不超過地板允許的抗壓強度。在地板較軟條件下

25、，應(yīng)選用抬地板裝置的支架或插腿掩護式支架。5 煤層傾角小于 10時，液壓支架可以不設(shè)防倒防滑裝置。 傾角在 1015 （支撐式液壓支架取下限，掩護式液壓支架和支撐掩護式液壓支架取上限）以上時，應(yīng)選用帶有防滑裝置的液壓支架。 傾角在 18以上時，應(yīng)選用同時帶有防滑防倒裝置的液壓支架。6對瓦斯涌出量大的工作面，應(yīng)符合煤礦安全規(guī)程要求，并優(yōu)先選擇通風(fēng)面積大的支撐式或支撐掩護液壓支架。7當(dāng)煤層為軟煤時，支架最大高度一般應(yīng)2.5m；中硬煤時，支架最大高度一般3.5m；硬煤，支架最大高度 5m 。支撐掩護式液壓支架總體設(shè)計分析及頂梁設(shè)計第 14 頁共 76 頁8同時允許選用幾種架型時，應(yīng)優(yōu)先選用價格便宜的

26、支架。支撐式液壓支架最便宜，其次是掩護式液壓支架，最貴為支撐掩護式液壓支架。2.2.2 液壓支架設(shè)計的原始條件基本（老）頂級別 : 三級直接頂級別 : 三級采高:2.5m3.2m 2.2.3 液壓支架的選型過程1確定直接頂和基本頂類別1) 頂板分類（1）直接頂分類我國將緩傾斜煤層回采工作面的直接頂分為四類：一不穩(wěn)定頂板即破碎頂板，很容易冒落，冒落能基本充滿采空區(qū)。泥質(zhì)頁巖、再生頂板等屬于這一類。二中等穩(wěn)定頂板：這類頂板強度較高，但由大量節(jié)理裂隙，局部較完整，厚度不大，冒落后不能充滿采空區(qū)，一般支護設(shè)備前移后隨即冒落。砂質(zhì)頁巖、粉砂巖等直接頂屬于這一類頂板。三穩(wěn)定頂板即完整頂板：不易發(fā)生局部冒落

27、。砂巖頂板、堅硬的砂質(zhì)頁巖頂板屬于這一類頂板。四堅硬頂板：極難冒落的砂巖、堅硬砂質(zhì)頁巖等屬于這一類頂板。表 2-1 基本頂級別注： 1. 比值 n應(yīng)根據(jù)采煤工作面所在位置的地質(zhì)柱狀圖中的m和 h來計算。2. 基本頂初次來壓步距l(xiāng)p可根據(jù)現(xiàn)場實測或礦壓顯示特征確定。基本頂級別基本頂來壓不明顯明顯強烈極強烈指標n=35 0.3 n35 lp=2550 0,3 n35 lp50 n 0.3 lp=2550 n0.3 lp50 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第 15 頁 共 76 頁（2）老頂分級老頂根據(jù)周期來壓明顯與否分為四級：i 級頂板，周期來壓不明顯；ii級頂板，周期來壓明顯； iii級頂板，周期

28、來壓強烈；iv 級頂板，周期來壓極強烈。老頂周期來壓越不明顯，作用于支架上的載荷就越小，而且穩(wěn)定。反之，周期來壓越強烈，作用于支護設(shè)備上的載荷就越小，且有沖擊。表 2-2 老頂級別類別指標不穩(wěn)定頂板中等穩(wěn)定頂板穩(wěn)定頂板堅硬頂板主要指標強度指數(shù)d1l=3l8 l=3.17l=918 l=7.112l=1925 l12l25 無直接頂， 巖層厚度在 25m以上6080 參照指標直接頂初次垮落步距l(xiāng)/m 表中按右式計算：=巖石單向抗拉強度（mpa ）= 節(jié)理裂隙影響系數(shù)；=分層厚度影響系數(shù)。表 2-3 節(jié)理裂隙間距表節(jié)理裂隙間距表l/m0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8

29、0.9 1.0 1.1 1.2 c10.3 0.32 0.34 0.37 0.39 0.41 0.43 0.46 0.48 0.50 0.52 0.55 表 2-4分層厚度表支撐掩護式液壓支架總體設(shè)計分析及頂梁設(shè)計第 16 頁共 76 頁分層厚度表hx/m0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 c20.24 0.25 0.27 0.29 0.3 0.32 0.33 0.35 0.36 0.38 0.39 0.41 表 2-5 支架架型確定參數(shù)支架架型確定參數(shù)基本頂級別直接頂級別1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4 液壓支架架型掩護掩

30、護支撐掩護掩護或支撐支撐支掩支掩支撐或支掩支撐或支掩支撐（采高小于2.5m）或支掩（采高大于2.5m）支架支護強度/() 采高 1m 采高 2m采高 3m采高 4m 294 343（245）441（343）539（441）1.3 295 1.3 343（245）1.3 441（343）1.3 539（441）1.6 295 1.6 343 1.6 441 1.6 539 2295 2343 2441 2539 應(yīng)結(jié)合深孔爆破，軟化頂板等措施處理采空區(qū)注: (1)表中括號內(nèi)數(shù)字系掩護式支架頂梁上的支護強度 (2)1.3、1.6 、2 為增壓系數(shù)(3) 表中采高為最大采高2液壓支架類型的確定由給定

31、的頂板條件參照表2-5 可選取的液壓支架的選型為支撐掩護式液壓支架。華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第 17 頁 共 76 頁第 3 章支架各部件的結(jié)構(gòu)特點3.1 支撐掩護式液壓支架的整體結(jié)構(gòu)支撐掩護式液壓支架主要由護幫、防片幫千斤頂、前梁、頂梁、掩護梁、底座、推移千斤頂、立柱等組成。3.2 液壓支架的各部件結(jié)構(gòu)3.2.1 液壓支架的頂梁1支撐式液壓支架的頂梁結(jié)構(gòu)2 4 35 6 7 9 10 1 8 圖 3-1 支撐掩護式液壓支架1-護幫； 2-防片幫千斤頂；3-前梁； 4-頂梁； 5-掩護梁； 6-四連桿機構(gòu)；7-底座；8-推移千斤頂；9-立柱； 10-機械加長桿支撐掩護式液壓支架總體設(shè)計分析

32、及頂梁設(shè)計第 18 頁共 76 頁支撐式液壓支架頂梁結(jié)構(gòu)形式如圖3-2 所示。如圖 a 所示為整體剛性頂梁。頂梁為一整體，剛性大，承載能力較好，但對頂板適應(yīng)性差。(a)(b)(d)(c)(e)(f)如圖 b，c 所示為鉸接式頂梁，由前梁和后梁組成，分別由前、后排立柱支撐。其中，b 為全鉸式，它能適應(yīng)支架頂梁上方前后頂板的變化，但當(dāng)頂板出現(xiàn)凹坑時，頂梁易成人字形，影響支撐效果和切頂性能。半餃式頂梁如圖c 所示，它克服了全鉸式的缺點，當(dāng)中部頂板出現(xiàn)凸起時，使前、后梁向上翹；當(dāng)頂板出現(xiàn)凹坑時，由于鉸接點下部有平整碰頭阻止，支架頂梁仍保持平整位置。如圖 d 所示為剛性頂梁帶鉸接式前梁，頂梁由前、后梁鉸

33、接，在鉸接前梁處安裝有前梁千斤頂，用來支撐靠近煤壁處的頂板，同時還可以使前梁上下擺角適應(yīng)頂板起伏變化和增加頂梁前端的支撐能力。為了使冒落的頂板矸石滑向采空區(qū)，保護擋矸簾，還可以增設(shè)尾梁，如圖e 所示。如圖 f 所示為不帶伸縮前梁的剛性頂梁，伸縮千斤頂式頂梁伸縮，由于前梁可以及時伸出支護暴露的頂板，從而允許固定頂梁減小長度，也可以用前梁千斤頂和伸縮千斤頂配合使用，使前梁既可以伸縮，也可以上下擺動。2掩護式液壓支架的頂梁結(jié)構(gòu)掩護式液壓支架的頂梁結(jié)構(gòu)型式如圖3-3 所示如圖 a 所示為平衡頂梁頂梁較短，與其下部的的掩護梁鉸接。因為它能在頂板凹凸圖 3-2 支撐式液壓支架的頂梁類型1-前梁； 2-后梁

34、； 3-尾梁； 4-前梁千斤頂； 5-前梁伸縮千斤頂1 1 2 2 2 1 2 4 5 1 4 2 3 1 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第 19 頁 共 76 頁變化時自取平衡，所以叫平衡式頂梁，頂梁鉸接點前、后側(cè)面的比例接近于2：1（按載荷分布近似三角形設(shè)計） 。這種頂梁后部和掩護梁形成三角區(qū)，易被冒落矸石堵住，影響支護效果。為此，在頂梁后部加設(shè)擋矸板。zyz型掩護式液壓支架就采用此種結(jié)構(gòu)。如圖 b 所示為潛入式頂梁，頂梁后端為扇形結(jié)構(gòu)，掩護梁可潛入扇形結(jié)構(gòu)內(nèi)，消除三角區(qū)。如圖 c 所示為鉸接式頂梁，頂梁為整體結(jié)構(gòu)，頂梁后端直接與掩護梁鉸接，取消三角區(qū)，立柱直接支撐在頂梁上。平衡千斤頂調(diào)節(jié)頂

35、梁的接觸面積。如圖 d 所示為帶前梁的鉸接式頂梁，由前梁千斤頂調(diào)節(jié)前梁角度，可以提高前梁前端的支撐能力，改善前梁前端的支控效果。如圖 e 所示為帶伸縮前梁的鉸接式頂梁，可及時支護頂板，減少頂板的暴露時間鉸接式頂梁加伸縮和擺動前梁，為如圖d、e 所示兩種型式的結(jié)合型，由前梁千斤頂調(diào)節(jié)前梁角度，并在前梁內(nèi)加伸縮前探梁。3支撐掩護式液壓支架的頂梁結(jié)構(gòu)由于支撐掩護式液壓支架的結(jié)構(gòu)介于支撐式和掩護式液壓支架之間，所以，支撐掩護式液壓支架的頂梁結(jié)構(gòu)可采用前述諸種型式，但應(yīng)根據(jù)頂板條件來選取。圖 3-3 掩護式液壓支架定量的類型1-頂梁； 2-前梁； 3-后梁； 4-掩護梁； 5-立柱； 6 限位千斤頂；7

36、 前梁千斤頂8-平衡千斤頂支撐掩護式液壓支架總體設(shè)計分析及頂梁設(shè)計第 20 頁共 76 頁4頂梁的斷面形狀各類頂梁都為箱式結(jié)構(gòu)，一般由鋼板焊接而成。為加強結(jié)構(gòu)的剛度，在上下蓋板之間焊有加強筋板，構(gòu)成封閉式棋盤型頂梁。頂梁前端呈滑撬式或圓弧形，移減少移架阻力。支撐式液壓支架后焊接有掛簾板，作為掛擋矸簾用。在頂梁下面含有鑄鋼柱窩，柱窩兩側(cè)有孔，孔用鋼絲繩或銷軸不立柱和頂梁連接起來。掩護式液壓支架和支撐掩護式液壓支架在頂梁后端有銷孔，通過銷軸與掩護梁上的銷孔相連。按頂梁的斷面形狀，還可以把頂梁分成如下結(jié)構(gòu)式：1）閉式頂梁頂梁上下蓋板與筋板焊接成封閉型，如圖(3-4) 所示：圖 3-4 頂梁筋板焊接圖

37、2）開式頂梁開式頂梁結(jié)構(gòu)如圖所示其特點為減輕頂梁重量，曾強頂梁抗彎強度。對于掩護式和支撐掩護式支架，為便于側(cè)護板自由伸縮，要在頂梁頂面上加焊一塊比側(cè)護板稍厚的鋼板，稱為頂板，如圖（3-5）所示：圖 3-5 頂梁斷面根據(jù)上述頂梁各種型式我選擇封閉焊頂板的型式，如圖上圖所示。華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第 21 頁 共 76 頁3.2.2 掩護梁的結(jié)構(gòu)掩護梁的結(jié)構(gòu)為鋼板焊接成的箱式結(jié)構(gòu)，在掩護梁上上端與頂梁鉸接，下部焊有與前、后連桿鉸接的耳座（有的支架在掩護梁上焊有立柱柱窩）?；顒觽?cè)護板裝在掩護梁的兩側(cè)。從側(cè)面看掩護梁，有直線型，折線型兩種。如圖3-6 所示。其中，如圖 a 所示為折線型，圖 b

38、為直線型。折線型相對直線型支架斷面大，結(jié)構(gòu)強度高，但工藝性差，所以很少采用。從掩護梁的寬度方向分，可分為整體式和相分式兩種。對分式結(jié)構(gòu)尺寸小，易于加工、運輸和安裝，但結(jié)構(gòu)強度較差。3.2.3 側(cè)護板1側(cè)護板的種類頂梁和掩護梁的側(cè)護板有兩種：一種是一側(cè)固定另一側(cè)活動的側(cè)護板。在設(shè)計時，根據(jù)左右工作面來確定左側(cè)或右側(cè)為活動側(cè)護板。一般燕傾斜方向的上方為固定側(cè)護板，下方為活動側(cè)護板?；顒觽?cè)護板通過彈簧筒和側(cè)推千斤頂與頂梁連接，以保證活動側(cè)護板與鄰架的固定側(cè)護板靠緊。但當(dāng)改換工作面開采方向時，活動側(cè)護板便位于傾斜方向的上方，給調(diào)架、防倒等帶來不便，所以很少采用。(a) (b) 圖 3-6 掩護梁的結(jié)構(gòu)

39、型式1 頂梁； 2掩護梁； 3 立柱； 4 前連桿； 5 后連桿； 6 底座； 7 限位千斤頂支撐掩護式液壓支架總體設(shè)計分析及頂梁設(shè)計第 22 頁共 76 頁另一種時兩側(cè)皆為活動側(cè)護板。這種側(cè)護板可以適應(yīng)工作面開采方向變化的要求，有利于防倒和調(diào)架。2側(cè)護板的結(jié)構(gòu)形式側(cè)護板的結(jié)構(gòu)如圖3-7 所示。通常有兩種類型。一種是側(cè)護板在頂梁外側(cè)。這種類型側(cè)護板又有三種形式，如圖3-7a 所示，頂梁上無頂板，側(cè)護板易被冒落的矸石卡住，影響側(cè)護板的伸縮；如圖3-7b、c 所示，在頂梁上加設(shè)頂板，克服了以上的缺點，但支架承受偏載時，側(cè)護板裝置受力很大。另一種時鉸接式側(cè)護板，如圖3-7d 所示。他克服了以上兩種側(cè)

40、護板的缺點，但由于架間側(cè)護板造成的三角帶容易填入矸石，影響架間密封效果。3.2.4 底座1底座的結(jié)構(gòu)型式如圖3-8 所示，通常有 3 種類型。1）整體式。整體式底座是用鋼板焊接成的箱式結(jié)構(gòu)，整體性強，穩(wěn)定向好，強度高，不易變形，與底座接觸面積大，比壓小。如圖 3-8a 所示的底座用于支撐式液壓支架，箱體高度大便于安裝復(fù)位裝置。如圖 3-8b 所示的底座高度低，占用空間小，一般用于掩護式和支撐掩護式液壓支架。2）對分式。為使底座在一定范圍內(nèi)適應(yīng)底板起伏不平的變化，通常把底座制成前、后或左、右對分式。如圖3-8c 、d 所示為前、后兩個底座的對分式，兩者通過銷軸與彈簧鋼板鉸接而成。如圖3-8e 所

41、示為左、右兩個底座箱的對分式，兩者用彈簧鋼板和銷軸連接。圖 3-7 側(cè)護板的結(jié)構(gòu)型式a b c d 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第 23 頁 共 76 頁3）底靴式。底靴式底座的特點是每根立柱支撐在一個底靴上，立柱之間用彈簧鋼板連接，立柱與底靴之間用銷軸連接，如圖3-8f 所示。它的結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，對地板的不平整適應(yīng)性強，但剛性差，與地板接觸面積小，穩(wěn)定相差，一般用于節(jié)式支架上。各種型式的底座前端都制成滑撬形，以減小支架的移架阻力。同時底座后部的重力大于前部，避免移架時啃底。(a)(b)(c)(f)(e)(d)底座與立柱之間連接處用鑄鋼球面柱窩接觸，以免因立柱偏斜受偏載，并用限位板和銷軸限

42、位，防止立柱脫出柱窩。在整體式底座后部中間去掉一塊鋼板，減少底座后部與底板的接觸面積，增加底座后部的比壓，同時有利于排矸。圖 3-8 底座的結(jié)構(gòu)型式a、b 整體式底座； c、d、e 對分式底座； f 底靴式底座a b c da e f 支撐掩護式液壓支架總體設(shè)計分析及頂梁設(shè)計第 24 頁共 76 頁2底座立柱柱窩上要開槽的原因：由于底座立柱柱窩的形狀為半球體，為防止底座立柱柱窩內(nèi)存有煤粉和積水， 所以在柱窩上開一個槽或鉆一個孔，便于消除積水和煤粉。3.2.5 立柱1立柱的結(jié)構(gòu)立柱按動作方式分為單作用和雙作用立柱；按結(jié)構(gòu)分為活塞式和柱塞式立柱；按伸縮方式分為單伸縮和雙伸縮式立柱，如圖3-9 所示

43、。(a)(b)(c)(d)(e)(f)2幾種立柱的動作原理1）單伸縮立柱的動作原理單伸縮單作用活塞式或柱塞式立柱，靠液壓力伸柱，靠自重或彈簧力降柱。單伸縮雙作用活塞式立柱，靠液壓力伸柱和降柱。當(dāng)下腔進液上腔回液時伸柱，反之為降柱。2）雙伸縮立柱的動作原理雙伸縮立柱動作原理如圖3-10 所示當(dāng)高壓液進入中缸下腔，上腔回液，使中缸伸起，如圖3-10a 所示。當(dāng)中缸全部伸出后中缸下腔壓力增加，當(dāng)壓力增加至超過底閥彈簧調(diào)正壓力時，底閥打開，高壓液進入上柱下腔，上柱上腔液體經(jīng)中腔上部小孔排出，使上柱伸出，如圖3-10b 所示。降柱時如圖3-10c、d 所示。當(dāng)高壓液進入中缸上腔，下腔回液，中缸下降；當(dāng)中

44、缸降到底時，一方面底閥被缸底頂開，另一方面中缸上孔正對立柱上部進液孔，如圖3-10c 所示。圖 3-9 立柱類型a-單作用活塞式；b-單作用柱塞式；c-雙作用活塞式；d、e、f-雙伸縮式華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第 25 頁 共 76 頁立柱上部進液孔經(jīng)中缸小孔進入上柱上腔，下腔液體經(jīng)底閥從立柱下部孔回液，上柱下降，如圖 3-10d 所示(a)(b)(c)(d)3機械加長桿的結(jié)構(gòu)原理由于雙伸縮立柱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，為了降低成本，在單伸縮立柱上安裝機械加長桿，滿足支撐高度的變化要求。圖 3-10 雙伸縮立柱動作原理支撐掩護式液壓支架總體設(shè)計分析及頂梁設(shè)計第 26 頁共 76 頁需要增加支架到最

45、大高度時（在井上） ，可以拆下 4 根立柱中對角線上的2 根立柱上機械加長桿卡環(huán)，操作支架升柱，支架頂梁升起，帶動機械加長桿從立柱中拔出，當(dāng)達到所調(diào)高度時，再把這兩根機械加長桿的卡環(huán)固定。把支架降至原來高度，拆下另兩根機械加長桿的卡環(huán)，用同樣的方法使這兩根機械加長桿達到與前兩根相同的高度為止。4立柱上、下端頭設(shè)計成半球形的原因第一個原因，由于支架在伸縮過程中，頂梁不可能同步造成立柱與頂梁和立柱與底座之間轉(zhuǎn)動，所以立柱的上、下端頭用半球形，形成鉸接，就可以適應(yīng)這種轉(zhuǎn)動。第二個原因，當(dāng)立柱為傾斜布置時，在支架升降過程中，立柱一方面要伸縮，一方面要傾斜，立柱與頂梁和立柱與底座之間依靠立柱上、下端半球

46、形發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而增大了支架的調(diào)高范圍。3.2.6 輔助裝置1推移裝置：推移裝置是液壓支架必備的重要輔助結(jié)構(gòu)件，由推移千斤頂和其它附屬裝置組成。移架和推溜的動作就是通過推移千斤頂及其附屬裝置來完成的，但隨著礦山地質(zhì)條件、液壓支架結(jié)構(gòu)和工作過程不同， 推移方式和推移千斤頂?shù)牟贾靡膊灰粯印Ｓ捎谝簤褐Ъ艿墓ぷ鬟^程的不同，推移方式有兩種：先移架后推溜，先推溜后移架兩種。2護幫裝置：液壓支架的護幫裝置時為了開采厚煤層或煤質(zhì)松軟的一些中厚煤層時防止煤壁片幫而設(shè)計的。護幫裝置一般由液壓千斤頂和護幫板構(gòu)成，安裝在前梁下部。正常情況下，護幫板伸出緊貼煤壁，防止片幫，或在片幫時起緩沖作用，防止硬傷工作人員。當(dāng)采煤機

47、割到液壓支架前面時，需要將護幫收回，讓采煤機通過，然后，隨支架移到新的工作位置后重新伸出以支護新暴露的煤壁。3擋矸裝置：矸石涌入支架內(nèi)會造成行人不便，移架困難，有時甚至?xí)褡〔倏v閥把手，損壞高壓軟管，嚴重影響支架的正常工作，架內(nèi)矸石的清理也需要繁重的體力勞動。為此，需要良好的擋矸裝置。4防滑防倒裝置：液壓支架在移架過程中，由于支架自重在傾斜方向的分力會使支架沿傾斜下滑，所以煤層傾角越大，下滑力也越大。支架的后部因重量大，離固定點華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第 27 頁 共 76 頁較遠，所以下滑程度比前部嚴重，造成支架的傾斜。當(dāng)煤層傾角增大至使支架失去橫向穩(wěn)定性時，支架會向下傾倒，因此，為了保

48、證支架的正常工作，必須采用相應(yīng)的防滑、支撐掩護式液壓支架總體設(shè)計分析及頂梁設(shè)計第 28 頁共 76 頁第 4 章液壓支架的整體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計4.1 液壓支架基本參數(shù)確定4.1.1 液壓支架的高度確定支架的高度確定應(yīng)根據(jù)所采煤層的厚度，采區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)條件的變化等因素來確定，其最大與最小最小高度為（4-1）（4-2）式中支架最大高度；支架最小高度；煤層最大厚度（最大采高） ；=3.2m 煤層最小厚度（最小采高） ；=2.5m 考慮偽頂、煤皮冒落以后仍有可靠初撐力的支撐高度，一般取 200300mm ；頂板最大下沉量，一般取100200mm；移架時支架的最小可伸縮量，一般取50mm；浮矸、浮煤厚度，一

49、般取50mm。根據(jù)式 4-1 可得： mm200mm=3400mm 根據(jù)式 4-2 可得：100mm50mm50mm=2300mm 所以初步選定：=3400mm =2300mm 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）第 29 頁 共 76 頁4.1.1 支架伸縮比支架的伸縮比指最大與最小支架高度之比值為：nmhhm（3-3）代入數(shù)據(jù)得 m=1.48。立柱結(jié)構(gòu)可以采用單伸縮液壓缸加加長桿。4.1.3 支架間距支架間距就是相鄰兩支架中心線的距離。支架間距要根據(jù)支架型式來確定， 但由于每架支架的推移千斤頂都與工作面輸送機的一節(jié)中部槽相連， 因此目前主要根據(jù)輸送機中部槽每節(jié)長度及槽幫上千斤頂連接塊的位置來確定。 我國刮板輸送機中部槽每節(jié)長度為1.5m，千斤頂連接塊位置在中部槽中間位置，所以除節(jié)式和邁步式液壓支架，支架間距一般為1.5m。4.1.4 底座長度底座是將頂板壓力傳遞到頂板和穩(wěn)固支架的部件。